石墨烯它或?qū)⒚土腋淖兪澜?- 全文

近日，由石墨烯制成的“微型超級電容器”消息一出，石墨烯概念股再次得到市場追捧。

由石墨烯制成的“微型超級電容器”

不得了的石墨烯

想象一下，有那么一張網(wǎng)，每一個網(wǎng)格都是一個完美的六邊形，每個網(wǎng)格的繩結(jié)都是一個碳原子。這張網(wǎng)沒有厚度，只有長和寬。

這就是石墨烯的形態(tài)。

它是地球上已發(fā)現(xiàn)的最薄材料，一根頭發(fā)絲的直徑大概等于十萬層石墨烯疊加起來的厚度，所以用肉眼是看不見石墨烯的。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。

它也是最強韌的納米材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只貓的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相當(dāng)于貓的一根胡須。

石墨烯是電阻率最小的材料，導(dǎo)電性是銅的一百萬倍，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。

矛盾的石墨烯

石墨烯也是個矛盾的東西。

石墨烯薄膜堅固易脆，但彈性極好，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。

它這么薄，薄到近乎透明，垂直入射的可見光只有很小一部分（2.3%）會被石墨烯吸收，而絕大部分的光都會透過去；它卻又非常致密，即使是氦原子，最小的氣體原子，也無法穿透。

它甚至違背“熱脹冷縮”原理，隨著溫度升高而縮小。

太抽象了，還是說說到底能用石墨烯來做些什么吧。

“超級電池”，家里可制

現(xiàn)在的都市里，很多人患上了“手機低電量恐懼癥”。

具體病癥就是，手機電池發(fā)出電量過低的警告，就慌張地到處尋找插座，只有找到插座接上電源，手機電池顯示出正在充電的狀態(tài)，才會安心。這都是電池惹的禍。智能手機功能越來越多，人們也就越來越依賴手機，只是手機的鋰電池，儲電能力和充放電效率跟不上了。

美國加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)、生物化學(xué)教授理查德·卡勒和他的學(xué)生馬希爾·艾卡迪可能會改變這樣的局面。

卡勒教授是加州納米系統(tǒng)研究機構(gòu)的成員，他和馬希爾利用石墨烯為原材料，發(fā)明了一種名為微型石墨烯超級電容器的裝置。這種裝置的充放電速度，比現(xiàn)在常用的鋰電池快100倍到1000倍，幾分鐘就能完成智能手機的充電。

實驗結(jié)果還顯示，按照這個方法用石墨烯作為兩極，制成電池樣品，續(xù)航能力是普通電池的數(shù)十倍。

這塊厲害的電池，電極并排安裝，相互交叉，就像相互交叉的手指。這樣的設(shè)計，擴(kuò)大了兩個電極的可用表面積，減少電解液里的離子需要傳播的路線。所以它具備了更強的充電能力和速度性能。別以為這種電池科技含量超高，制造起來會很難，其實，你在家里就能制造它。

只要你家有一臺標(biāo)準(zhǔn)DVD刻錄機和彌散在水中的氧化石墨烯。用卡勒教授的方法，30分鐘，就能在一張光盤上生產(chǎn)超過100個這種石墨烯微型超級電容器。制造過程和刻錄一般的光盤沒有區(qū)別，就是使用現(xiàn)有的激光蝕刻技術(shù)，只不過需要在光盤表面加上一層氧化石墨烯。

想想看，自己刻錄一張電池。是的，不是一塊，是一張電池。

一旦這種超級電池得到大規(guī)模應(yīng)用，肯定會對手機行業(yè)甚至電子產(chǎn)品行業(yè)產(chǎn)生劇烈的影響。更輕薄的手機？當(dāng)然有可能。

“低科技”贏得諾貝爾獎

透明膠分離出石墨烯

70多年前，科學(xué)家們提出了石墨烯的理論后，就有大批研究人員企圖用各種方法分離出石墨烯。

有人設(shè)想，利用化學(xué)方法將分子或原子嵌入石墨層內(nèi)，使石墨層之間距離增加，然后分離為原子單層的石墨烯。但努力多年，進(jìn)展十分有限。僅僅分離出了與濕煤灰類似的石墨粒子泥漿。

還有人想到使用簡單原始的機械分離法，摩擦或刮除，慢慢除去石墨的上層表面物質(zhì)，逐漸減小石墨的厚度。這種方法最后制成了透明的石墨薄片，沒制成單層碳原子厚度的石墨烯。

一直沒有人真正從石墨中分離出石墨烯，直到2004年。

這年，英國曼切斯特大學(xué)的俄羅斯裔科學(xué)家安德烈·海姆和他的學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用一種近乎兒戲的方式分離出這種神奇的材料。

透明膠。

是的，透明膠，就是實驗工具。

分離的方法也讓人目瞪口呆。他們把一塊石墨薄片粘貼在透明膠上，然后用另一段透明膠粘住石墨片的另一面，再輕輕撕開兩段透明膠，石墨薄片就被剝離成兩片更薄的石墨片。

重復(fù)數(shù)次。

他們終于獲得了單層原子厚度的石墨烯。經(jīng)過處理后，從透明膠上取下石墨烯薄膜，在電子顯微鏡下面觀察到，室溫下，石墨烯的平面晶體結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定存在。

憑借這個發(fā)現(xiàn)，海姆和諾沃肖洛夫獲得了2010年的諾貝爾物理獎。頒獎典禮上，組委會說：“這項發(fā)現(xiàn)可以和愛迪生發(fā)明電燈媲美。”

安德烈·海姆是個奇人，他是世界上第一個既獲得了諾貝爾獎，又獲得了搞笑諾貝爾獎的科學(xué)家。

2000年，他和邁克爾·貝瑞爵士使用磁性克服重力作用，使一只青蛙懸浮在半空中。這個實驗證明了，雖然青蛙沒有正常的磁性，但把它們放置在一個電磁場中可以實現(xiàn)磁性。而且這種磁性數(shù)倍強于磁共振成像（MRI）所產(chǎn)生的磁場。他們推測使用類似方法，可以克服重力作用，讓人在半空中漂浮起來。

石墨烯的未來

一秒鐘，傳輸10部高清電影

據(jù)海姆的觀察推測，石墨烯如此神奇，是因為它的結(jié)構(gòu)近乎完美，電子運動速度奇快。

它獨特的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)決定了它有廣闊的應(yīng)用前景。自從安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功分離出石墨烯之后，科學(xué)家們掀起了石墨烯應(yīng)用研究的狂潮。

今年3月5日，美國佐治亞理工學(xué)院無線寬帶網(wǎng)絡(luò)實驗室的伊恩·奧凱迪斯教授發(fā)表文章，提出石墨烯無線天線的新構(gòu)想。照他提出的石墨烯天線模型，短距離內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到兆兆位/秒將成為現(xiàn)實。

這個速度意味著，揮一下手機，一秒內(nèi)，10部高清電影就傳輸?shù)揭幻變?nèi)的另一臺手機中了。

石墨烯材料制成的天線，能夠以太赫茲（THz）的頻率正常工作，遠(yuǎn)超目前常規(guī)的百兆赫茲（MHz）、千兆赫茲（GHz）天線，目前最先進(jìn)的無線設(shè)備，也無法與其匹敵。

不過這根天線要投入商用，還需解決一個問題：信號穿過障礙物時，如何使信號衰減降至最低。因此近期能被廣泛應(yīng)用的可能性很小。伊恩·奧凱迪斯教授正在尋找解決方案。

諾基亞手機，以后不能敲核桃了

“不務(wù)正業(yè)”的諾基亞公司，也瞄準(zhǔn)了石墨烯。

在諾基亞研究中心的官方網(wǎng)站上，有這樣一條消息：今年1月28日開始，歐盟將在接下來的10年間投入10億歐元，贊助石墨烯材料的研發(fā)工作。

諾基亞就是獲得這項資金捐助的公司之一。諾基亞從2006年開始，就有團(tuán)隊專門致力于開發(fā)石墨烯材料在手機中的應(yīng)用。

諾基亞將會把石墨烯應(yīng)用在哪些方面呢？

一份由諾基亞研究中心編寫的石墨烯在手機中應(yīng)用文檔中，可以看出些玄機。

石墨烯觸覺反饋設(shè)備。

當(dāng)你的手機屏幕上顯示出一幅絲綢的圖片，你觸摸屏幕時會有摸到絲綢的順滑感覺。

可以彎曲、折疊的柔性透明手機，這個手機還不容易發(fā)熱。

看來諾基亞看中的是石墨烯的柔韌性、可拉伸性以及可變形特性，也就是說，諾基亞研究石墨烯材料，不是為了讓手機變得更硬，而是變得更軟。

未來的諾基亞手機應(yīng)該不能用來敲核桃了。

不知道它會怎樣改變世界

作為一種性質(zhì)獨特的新興材料，關(guān)于石墨烯應(yīng)用的研究層出不窮。

根據(jù)現(xiàn)在的研究成果，將來的世界會這樣子：

未來半導(dǎo)體的材料可能不再是硅，石墨烯做成的晶體管會讓超高速計算機不再是理論設(shè)想；

塑料可能不再是絕緣體，在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；

汽車、飛機和宇宙飛船，外殼可能就是薄、輕、拉伸性好和超強韌石墨烯材料。

這樣夢幻般的情景，離實際還有距離，甚至十分遙遠(yuǎn)?，F(xiàn)在我們唯一知道的是，這種二維的碳，會給人類世界帶來巨大改變。改變到底有多猛烈多深遠(yuǎn)，沒人知道。